CN102612754A - 用于具有亚波长和超波长特征尺寸的光伏电池的有孔电极格栅 - Google Patents
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Abstract
公开了一种光伏电池和在光伏电池的光伏半导体基板上形成电极格栅的方法。在一个实施例中，所述光伏电池包含：光伏半导体基板；背电极，其电连接到所述基板的背表面；以及前电极，其电连接到所述基板的前表面。所述基板、所述背电极和所述前电极形成用于在所述基板吸收光时产生电流的电路。所述前电极包含界定众多孔的金属格栅。这些孔可为周期性的、非周期性的、或部分周期性的。所述前电极可通过以下步骤形成：将纳米球沉积在所述基板上；在所述纳米球周围在所述基板上形成金属层；以及去除所述纳米球，从而使界定众多孔的电极格栅存留在所述基板上。
Description
技术领域
本发明一般而言涉及太阳能或光能，更具体而言，本发明涉及光伏电池。
背景技术
太阳能长期以来已被视为对行星人口的日益增长的能量需求的解决方案的重要部分。开采化石燃料的增加的成本和对“温室”排放的增加的担忧已进一步引起对开发替代能量策略（包括太阳能源）的关注。迄今为止，太阳能转换大体上依赖于例如在加热应用中或在热电转换中太阳热能的直接收获，或依赖于经由通过光伏电池的使用而将光子能量向电能的直接转换。
已根据两种相异方法开发了光伏电池。初始操作电池使用经适当掺杂而产生平面p-n结的单晶硅的矩阵。建立于p-n结处的内部（intrinsic）电场通过沿相反方向导引太阳光子产生的空穴与自由电子而产生电压。尽管具有良好转换效率和长期可靠性，但使用单晶硅电池的广泛能量收集受到单晶硅材料及互连处理的异常高成本的阻碍。
用以产生光伏电池的第二种方法为将薄的光伏半导体膜沉积于支撑基板上。对材料的要求被最小化，且可提出技术以用于大规模生产。薄膜结构可根据掺杂同质结技术（例如，涉及硅膜的掺杂同质结技术）来设计，或可采用异质结方法，例如，使用CdTe或黄铜矿材料的异质结方法。尽管用于单晶体和薄膜方法两者的个体电池转换效率有显著改良，光伏能量收集通常受限于具有低功率要求的应用。
在所有太阳能电池中，尤其是具有高性能的太阳能电池，串联电阻问题为电池性能的严重限制因素。该串联电阻与接触电极几何形状、发射极（顶）层薄层电阻以及金属-半导体接触电阻相关联。电极结构的设计必须考虑区域覆盖与遮蔽损失之间的折衷。一种标准方法为使用梳状金属格栅（grid）或使用使膜的透明性与良好导电性组合的透明导电氧化物（TCO）膜。然而，这样的TCO膜仍具有受限的导电性，且仍导致相当大的串联电阻量。
发明内容
本发明的实施例提供光伏电池和在光伏电池的光伏半导体基板上形成电极格栅的方法。在一个实施例中，所述光伏电池包含：光伏半导体基板，其具有前光接收表面和背表面；背电极，其电连接到所述背表面；以及前电极，其电连接到所述前表面。所述基板、所述背电极和所述前电极形成用于在所述基板吸收光时产生电流的电路。所述前电极包含界定（define）众多（a multitude of）孔的金属格栅，所述孔具有小于1000nm的宽度。
在一个实施例中，所述前电极的所述孔在所述前电极中形成周期性图案，例如，该图案可以以200nm与50μm之间的周期重复。在另一实施例中，所述前电极的所述孔在所述前电极中形成非周期性图案。在另一实施例中，所述前电极中的所述孔在所述前电极中形成部分周期性图案。
在一个实施例中，所述前电极中的所述孔具有直径在100nm与1000nm之间的圆形形状。在一个实施例中，所述光伏电池用于波长为λ的光，且所述前电极中的所述众多孔具有大于λ的宽度。在另一实施例中，所述光伏电池用于波长为λ的光，且所述前电极中的所述众多孔具有小于λ的宽度。在另一实施例中，所述光伏电池用于波长为λ的光，且所述前电极中的部分所述孔具有大于λ的宽度，而这些孔中的其它孔具有小于λ的宽度。在一个实施例中，所述前电极在所述基板的所述前表面的限定区域内延伸，且所述前电极的所述孔覆盖大于80%的所述限定区域。
在本发明的一个实施例中，提供一种用于在光伏半导体基板上形成电极格栅的方法。在一个实施例中，所述方法包含：将许多（a quantity of）纳米球沉积在所述基板上；在所述纳米球周围在所述基板上形成金属层；以及去除所述纳米球，从而使界定众多孔的电极格栅存留在所述基板上，所述电极格栅电连接到所述基板。
在一个实施例中，所述沉积包括在所述基板上形成所述纳米球的单层。在一个实施例中，所述沉积包括将所述纳米球修整至所需的尺寸；例如，可使用O2进行该修整。在一个实施例中，所述形成包括将金属层沉积在所述基板和所述纳米球上。在一个实施例中，所述去除包括将所述纳米球从所述基板提离（lift off）；例如，这可通过使用胶带（tape）将所述纳米球从所述基板剥离且在诸如丙酮或NMP（N-甲基-2-吡咯烷酮）的热溶剂中清洁所述基板。
本发明的实施例使用金属电极以保持其极高导电性（比最好的TCO高约100倍），将其图案化成具有亚波长（subwavelength）或超波长（superwavelength）特征尺寸的有孔（holey）结构，同时维持遮蔽损失的相同水平。依赖于孔的尺寸及其周期，本发明可实现显著的优点，例如：因为金属格栅具有较大的区域覆盖，使得电流输送不再受到（高）发射极薄层电阻的限制，因此电池串联电阻减小；以及，归因于亚波长电极线宽（其对光不可见）或归因于等离子体效应（plasmonics effect），光透射增强。
附图说明
图1为光伏器件的图；
图2（a）示例出变化的电极厚度对光伏电池的效率的影响；
图2（b）示例出光伏电池的总串联电阻的分量；
图3示例出用有孔电极格栅替代光伏电池的指状物的原理；
图4（a）示出通过具有亚波长尺寸的孔的阵列的增强的透射效应；
图4（b）示出用于各种孔尺寸的实验数据；
图5示例出有孔电极格栅的制造过程；
图6示出可用于制造过程中的制造步骤；
图7（a）示出用于在制造过程中修整纳米球的尺寸的蚀刻计时图；
图7（b）示例出可使用图5和图6的制程所形成的两个电极格栅；以及
图8示出在硅基板上使用纳米球光刻（lithography）制造的金属格栅。
具体实施方式
图1为光伏（PV）器件或太阳能电池10的图。PV器件10包括背电极层12、PV材料14以及前电极16。光能被传输至PV层14，在这里，光能被吸收且变换为电能。在PV器件10内所产生的电迁移至前电极16或背电极12，所产生的电从前电极16或背电极12经由电接触件20或22而被导引出电池。PV层14可由许多不同类型的材料当中的任何材料构成，包括（但不限于）半导体结、基于有机染料的材料、光电化学电池、聚合物太阳能电池、纳米晶体太阳能电池或染料敏化的太阳能电池、以及其它PV电池技术。
更具体而言，在图1的器件中，PV材料14可为包含多晶硅的半导体基板，但也可为单晶硅，且PV材料14为例如用硼作为杂质的p型，具有例如5×1016cm-3的杂质浓度。该半导体基板14的厚度可为1μm至150μm。例如800μm厚的氧化铝（Al2O3）漫反射基板（未示出）可被粘附到半导体基板14的背表面。
如上所述，与接触电极相关联的串联电阻是高性能太阳能电池的严重限制因素。图2（a）示例出变化的电极厚度（或电极串联电阻）对电池效率的影响。因此，设计最佳接触电极在实现所有类型的太阳能电池的峰值性能方面至关重要。
如图2（b）所示，总电池串联电阻主要来源于三个分量：发射极层电阻（RE）、电极（母线和指状物）电阻RBF以及电极-半导体接触电阻（RC）。除了这些因素之外，由电极覆盖导致的遮蔽损失（典型地为约10%）也是造成电池性能损失的原因。这些串联电阻可通过增大区域覆盖而减小，但这将增加遮蔽损失。还可使电极较厚，但这常常受到沉积技术的限制。
理想地，太阳能电池需要透明且导电性高的接触电极以使遮蔽损失和串联电阻损失最小化。一种尝试为使用诸如氧化铟锡的透明导电氧化物膜（典型地，透射率为约80%且薄层电阻为约20Ω/sq）。本发明提供一种替代技术，该技术利用减小串联电阻且有效降低电极的遮蔽损失的电极格栅。
参看图3，根据本发明的实施例，指状电极30被具有小特征尺寸且同时保持相同遮蔽因子的“有孔”金属格栅32替代。格栅32可具有孔34，所述孔34具有亚波长尺寸（w<λ）以及超波长尺寸（w>λ）二者。孔图案可为周期性的，可为非周期性的，或者可为部分周期性的。在周期性的情况下，晶格周期a可为例如约200nm至约50μm。
此电极结构32提供重要优点。一个显著优点为发射极串联电阻（RE）减小，这是因为从结至电极的电流路径减小。例如，太阳能电池的典型指状物间距为500μm，且发射极串联电阻随该值而按比例缩放。通过使金属格栅32具有极小的晶格间距（例如，μm量级），串联电阻可显著减小。另一重要优点在于：在孔尺寸大于光波长（w>λ）的情况下，金属将覆盖<20%的区域，从而导致>80%的透射。同时，膜的导电性将是高的。结果，这些导电有孔膜可用于薄膜PV（用作ITO或掺杂的ZnO的替代）和用于结晶硅。在结晶Si的情况下，由于硅中的少数载流子的横向路径较短，因此有可能将发射极掺杂至较低值，从而改善发射极中的少数载流子寿命。
在孔尺寸小于光波长（w<λ）的情况下，由于格栅具有小于光波长的线宽，故格栅线将对入射光较不可见或者反射将减小。这有效减小了由电极的反射导致的遮蔽损失。此外，当格栅晶格周期小于光波长（a<λ）时，本发明的实施例可利用通过亚波长孔的阵列而增强的透射现象的等离子体效应。因为金属结构的周期性有助于更有效地耦合光与表面等离子体且将光能再辐射作为透射光，所以出现该效应。在图4（a）和图4（b）中示例了此特征。此效应还可潜在地减小归因于电极的遮蔽损失。
使用标准光刻技术（深UV或电子束光刻）在大区域内制造具有亚微米结构的结构昂贵得令人望而却步。因此，可使用纳米球光刻技术来实现对用于太阳能电池应用的亚波长金属格栅的大规模但低成本的构图。
图5和图6示例出（作为实例）可用于形成有孔电极格栅的制造过程。在该过程中，在步骤42，通过具有甲醇的恰当稀释液（按1:400体积添加有表面活性剂Triton-X 100）而制备纳米球（NS）胶体，以实现单层沉积。在一个实施例中，以实验方式确定量（例如，对于500nm的NS，NS:甲醇=7:5体积）。在步骤46，将纳米球48旋涂在基板50上，如在52处所示。在步骤54，使用O2等离子体将NS的尺寸修整至所需的尺寸。在图7（a）中示出蚀刻计时数据。在步骤56，将金属60沉积到基板上。在步骤62，将NS从基板提离。这可通过以下步骤来进行：首先使用胶带剥离NS，接着使用NMP（N-甲基-2-吡咯烷酮）清洁。
在图8中示出通过纳米球光刻所制成的金属格栅64的结果。注意，可通过用O2等离子体修整工艺控制NS的尺寸来控制孔填充因子，如在图7（b）中的66处所示。较大填充因子意味着较小遮蔽损失。对于如在图7（b）中所示的密堆积NS晶格，最小遮蔽因子（被金属所覆盖的区域）为或9.3%。然而，由于金属线的特征尺寸小于光波长，因此有效遮蔽损失将更小。
尽管显然本文中所公开的发明充分实现了上文所述的目标，但应理解，本领域技术人员可设计众多修改和实施例，且所附权利要求旨在涵盖落在真正精神和范畴内的所有这些修改和实施例。
Claims (20)
1.一种光伏电池，其包含：
光伏半导体基板，其具有前光接收表面和背表面；
背电极，其电连接到所述背表面；以及
前电极，其电连接到所述前表面；
其中，所述基板、所述背电极和所述前电极形成用于在所述基板吸收光时产生电流的电路；且
其中，所述前电极包含界定众多孔的金属格栅，所述孔具有小于1000nm的宽度。
2.根据权利要求1的光伏电池，其中，所述孔在所述前电极中形成周期性图案。
3.根据权利要求2的光伏电池，其中，所述图案以200nm与50μm之间的周期重复。
4.根据权利要求1的光伏电池，其中，所述孔在所述前电极中形成非周期性图案。
5.根据权利要求1的光伏电池，其中，所述孔在所述前电极中形成部分周期性图案。
6.根据权利要求1的光伏电池，其中，所述孔具有直径在100nm与1000nm之间的圆形形状。
7.根据权利要求1的光伏电池，其用于某波长的光，且其中所述众多孔具有大于该波长的宽度。
8.根据权利要求1的光伏电池，其用于某波长的光，且其中所述众多孔具有小于该波长的宽度。
9.根据权利要求1的光伏电池，其用于某波长的光，且其中所述众多孔中的部分孔具有大于该波长的宽度，且所述众多孔中的其它孔具有小于该波长的宽度。
10.根据权利要求1的光伏电池，其中，所述前电极在所述基板的所述前表面的限定区域内延伸，且所述孔覆盖大于80%的所述限定区域。
11.一种在光伏半导体基板上形成电极格栅的方法，其包含：
将许多纳米球沉积在所述基板上；
在所述纳米球周围在所述基板上形成金属层；以及
去除所述纳米球，从而使界定众多孔的电极格栅存留在所述基板上，所述电极格栅电连接到所述基板。
12.根据权利要求11的方法，其中，所述沉积包括在所述基板上形成所述纳米球的单层。
13.根据权利要求11的方法，其中，所述沉积包括将所述纳米球修整至所需的尺寸。
14.根据权利要求13的方法，其中，所述修整包括使用O2修整所述纳米球。
15.根据权利要求11的方法，其中，所述形成包括将金属层沉积在所述基板和所述纳米球上。
16.根据权利要求11的方法，其中，所述去除包括将所述纳米球从所述基板提离。
17.根据权利要求16的方法，其中，所述提离包括使用胶带将所述纳米球从所述基板剥离。
18.一种光伏电池，其包含：
光伏半导体基板，其具有前光接收表面和背表面；
背电极，其电连接到所述背表面；以及
前电极，其电连接到所述前表面；
其中，所述基板、所述背电极和所述前电极形成用于在所述基板吸收光时产生电流的电路；且
其中，所述前电极包含金属格栅，所述金属格栅附到所述前表面且界定众多圆形开口，所述圆形开口具有小于1000nm的直径并在所述格栅中形成周期性图案，所述周期性图案具有在200nm与50μm之间的周期。
19.根据权利要求18的光伏电池，其用于将光子能量转换至所述电流，所述光子能量具有限定的平均操作波长，且其中所述周期小于所述平均操作波长以通过所述开口实现增强的光透射现象的等离子体效应。
20.根据权利要求18的光伏电池，其中，所述开口的直径小于700nm，以减小由所述前电极的反射导致的遮蔽损失。
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